1.5 Niveles o estratos de diseño

Internamente los sistemas operativos estructuralmente de se clasifican según como se hayan organizado internamente en su diseño, por esto la clasificación más común de los S.O. son:

      Sistemas monolíticos:

En estos sistemas operativos se escriben como un conjunto de procedimientos, cada uno de los cuales puede llamar a cualquiera de los otros siempre que lo necesite. Cuando se emplea esta técnica, cada procedimiento del sistema tiene una interfaz bien definida en términos de parámetros y resultados, y cada una tiene la libertad de llamar a cualquiera otra, si la última ofrece algún cálculo útil que la primera necesite.

Para construir el programa objeto real del sistema operativo cuando se usa este método, se compilan todos los procedimientos individuales a archivos que contienen los procedimientos y después se combinan todos en un solo archivo objeto con el enlazador. En términos de ocultamiento de información, esencialmente no existe ninguno; todo procedimiento es visible para todos (al contrario de una estructura que contiene módulos o paquetes, en los cuales mucha información es local a un módulo y sólo pueden llamar puntos de registro designados oficialmente del exterior del módulo) Esta organización sugiere una estructura básica del sistema operativo: 1.- Un programa central que invoque el procedimiento de servicio solicitado (Shell o Kernel) 2.- Un conjunto de procedimientos de servicios que realice las llamadas al sistema. 3.- Un conjunto de procedimientos de uso general que ayude a los procedimientos de servicio

El sistema tenía 6 estratos, estos se muestran en la siguiente tabla:

5	Operador de THE
4	Programas del usuario
3	Administración de Entrada/Salida
2	Comunicación entre el operador y el proceso
1	Administración de la memoria y el tambor magnético
0	Distribución del procesador y multiprogramación

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El estrato 0 trabajaba con la distribución del procesador, cambiando entre procesos cuando ocurrían interrupciones o los relojes expiraban. Sobre el estrato 0, el sistema constaba de procesos secuenciales, cada uno de los cuales podía programarse sin tener que preocuparse por el hecho de que múltiples procesos estuvieran corriendo en un solo procesador. En otras palabras, el estarto 0 ofrecía la multiprogramación básica de la CPU.

El estrato 1 realizaba el manejo de memoria. Este distribuía espacio para procesos contenidos en la memoria central y en un tambor de 512K palabras que se usaba para contener partes de procesos (páginas) para las cuales no había espacio en la memoria central. Sobre el estrato 1, los procesos no tenía que preocuparse de si estaban en la memoria o en el tambor; el software del estrato 1 se hacía cargo de asegurar que las páginas se trajeran a la memoria siempre que se necesitaran.

El estrato 2 manejaba la comunicación entre cada proceso y la consola de operador.

El estrato 3 se hacía cargo de manejar los dispositivos de E/S y de separar la información en flujo que entraba y salí de ellos. Sobre el estrato 3 cada proceso podía trabajar con dispositivos de E/S abstractos con propiedades agradables, en vez de dispositivos reales con muchas peculiaridades

Estructura modular. También llamados sistemas monolíticos. Este tipo de organización es con mucho la más común; bien podría recibir el subtítulo de "el gran embrollo". La estructura consiste en que no existe estructura alguna. 

El sistema operativo se escribe como una colección de procedimientos, cada uno de los cuales puede llamar a los demás cada vez que así lo requiera. Cuando se usa esta técnica, cada procedimiento del sistema tiene una interfaz bien definida en términos de parámetros y resultados y cada uno de ellos es libre de llamar a cualquier otro, si este último proporciona cierto cálculo útil para el primero. Sin embargo incluso en este tipo de sistemas es posible tener al menos algo de estructura. 

Los servicios (llamadas al sistema) que proporciona el sistema operativo se solicitan colocando los parámetros en lugares bien definidos, como en los registros o en la pila, para después ejecutar una instrucción especial de trampa de nombre "llamada al núcleo" o "llamada al supervisor".

Esta instrucción cambia la máquina del modo usuario al modo núcleo y transfiere el control al sistema operativo, lo que se muestra en el evento (1) de la figura 1. 

El sistema operativo examina entonces los parámetros de la llamada, para determinar cuál de ellas se desea realizar, como se muestra en el evento (2) de la figura 1. A continuación, el sistema operativo analiza una tabla que contiene en la entrada k un apuntador al procedimiento que realiza la k-esima llamada al sistema. Esta operación que se muestra en (3) de la figura 1, identifica el procedimiento de servicio, al cual se llama. Por último, la llamada al sistema termina y el control regresa al programa del usuario.

Figura 1. La forma en que debe hacerse una llamada al sistema: (1) el programa del usuario es atraído hacia el núcleo. (2) el sistema operativo determina el número del servicio solicitado. (3) el sistema operativo localiza y llama al procedimiento correspondiente al servicio. (4) el control regresa al programa del usuario.

Esta organización sugiere una organización básica del sistema operativo:

1.- un programa principal que llama al procedimiento del servicio solicitado.

2.- un conjunto de procedimientos de servicio que llevan a cabo las llamadas al sistema.

3.- un conjunto de procedimientos utilitarios que ayudan al procedimiento de servicio.

En este modelo, para cada llamada al sistema existe un procedimiento de servicio que se encarga de él. Los procedimientos utilitarios hacen cosas necesarias para varios procedimientos de servicio, por ejemplo buscar los datos de los programas del usuario.

Estructura por microkernel 

Las funciones centrales de un SO son controladas por el núcleo (kernel) mientras que la interfaz del usuario es controlada por el entorno (shell). Por ejemplo, la parte más importante del DOS es un programa con el nombre "COMMAND.COM" Este programa tiene dos partes. El kernel, que se mantiene en memoria en todo momento, contiene el código máquina de bajo nivel para manejar la administración de hardware para otros programas que necesitan estos servicios, y para la segunda parte del COMMAND.COM el shell, el cual es el intérprete de comandos

Las funciones de bajo nivel del SO y las funciones de interpretación de comandos están separadas, de tal forma que puedes mantener el kernel DOS corriendo, pero utilizar una interfaz de usuario diferente. Esto es exactamente lo que sucede cuando cargas Microsoft Windows, el cual toma el lugar del shell, reemplazando la interfaz de línea de comandos con una interfaz gráfica del usuario. Existen muchos "shells" diferentes en el mercado, ejemplo: NDOS (Norton DOS), XTG, PCTOOLS, o inclusive el mismo SO MS-DOS a partir de la versión 5.0 incluyó un Shell llamado DOS SHELL.

El sistema por "capas" consiste en organizar el sistema operativo como una jerarquía de capas, cada una construida sobre la inmediata inferior. El primer sistema construido de esta manera fue el sistema THE (Technische Hogeschool Eindhoven), desarrollado en Holanda por E. W. Dijkstra (1968) y sus estudiantes.

El sistema tenía 6 capas, como se muestra en la figura 3. La capa 0 trabaja con la asignación del procesador y alterna entre los procesos cuando ocurren las interrupciones o expiran los cronómetros. Sobre la capa 0, el sistema consta de procesos secuénciales, cada uno de los cuales se podría programar sin importar que varios procesos estuvieran ejecutándose en el mismo procesador, la capa 0 proporcionaba la multiprogramación básica de la CPU.

La capa 1 realizaba la administración de la memoria. Asignaba el espacio de memoria principal para los procesos y un recipiente de palabras de 512K se utilizaba para almacenar partes de los procesos (páginas) para las que no existía lugar en la memoria principal. Por encima de la capa 1, los procesos no debían preocuparse si estaban en la memoria o en el recipiente; el software de la capa 1 se encargaba de garantizar que las páginas llegaran a la memoria cuando fueran necesarias.

La capa 2 se encargaba de la comunicación entre cada proceso y la consola del operador. Por encima de esta capa, cada proceso tiene su propia consola de operador.

La capa 3 controla los dispositivos de E/S y guarda en almacenes (buffers) los flujos de información entre ellos. Por encima de la capa 3, cada proceso puede trabajar con dispositivos exactos de E/S con propiedades adecuadas, en vez de dispositivos reales con muchas peculiaridades. 

La capa 4 es donde estaban los programas del usuario, estos no tenían que preocuparse por el proceso, memoria, consola o control de E/S.

El proceso operador del sistema se localizaba en la capa 5

Una generalización más avanzada del concepto de capas se presentó en el sistema MULTICS. En lugar de capas, MULTICS estaba organizado como una serie de anillos concéntricos, siendo los anillos interiores los privilegiados. Cuando un procedimiento de un anillo exterior deseaba llamar a un procedimiento de un anillo interior, debió hacer el equivalente a una llamada al sistema

Mientras que el esquema de capas de THE era en realidad un apoyo al diseño, debido a que todas las partes del sistema estaban ligadas entre sí en un solo programa objeto, en MULTICS, el mecanismo de anillos estaba más presente durante el tiempo de ejecución y era reforzado por el hardware.

5	El operador
4	Programas del usuario
3	Control de entrada/salida
2	Comunicación operador-proceso
1	Administración de la memoria y del disco
0	Asignación del procesador y multiprogramación

Figura 3. Estructura del sistema operativo THE.

Estructura cliente – servidor

Una tendencia de los sistemas operativos modernos es la de explotar la idea de mover el código a capas superiores y eliminar la mayor parte posible del sistema operativo para mantener un núcleo mínimo. El punto de vista usual es el de implantar la mayoría de las funciones del sistema operativo en los procesos del usuario. Para solicitar un servicio, como la lectura de un bloque de cierto archivo, un proceso del usuario (denominado proceso cliente) envía la solicitud a un proceso servidor, que realiza entonces el trabajo y regresa la respuesta. En este modelo, que se muestra en la figura 4, lo único que hace el núcleo es controlar la comunicación entre los clientes y los servidores. Al separar el sistema operativo en partes, cada una de ellas controla una faceta del sistema, como el servicio a archivos, servicios a procesos, servicio a terminales o servicio a la memoria, cada parte es pequeña y controlable. Además como todos los servidores se ejecutan como procesos en modo usuario y no en modo núcleo, no tienen acceso directo al hardware. En consecuencia si hay un error en el servidor de archivos, éste puede fallar, pero esto no afectará en general a toda la máquina.

Otra de las ventajas del modelo cliente-servidor es su capacidad de adaptación para su uso en los sistemas distribuidos.

Según, se deben observar dos tipos de requisitos cuando se construye un sistema operativo, los cuales son:

Requisitos de usuario: Sistema fácil de usar y de aprender, seguro, rápido y adecuado al uso al que se le quiere destinar.

Requisitos del software: Donde se engloban aspectos como el mantenimiento, forma de operación, restricciones de uso, eficiencia, tolerancia frente a los errores y flexibilidad.

A continuación se describen las distintas estructuras que presentan los actuales sistemas operativos para satisfacer las necesidades que de ellos se quieren obtener.

Estructura Monolítica.

Es la estructura de los primeros sistemas operativos constituidos fundamentalmente por un solo programa compuesto de un conjunto de rutinas entrelazadas de tal forma que cada una puede llamar a cualquier otra. Las características fundamentales de este tipo de estructura son:

Generalmente están hechos a medida, por lo que son eficientes y rápidos en su ejecución y gestión, pero por lo mismo carecen de flexibilidad para soportar diferentes ambientes de trabajo o tipos de aplicaciones.

Estructura Jerárquica

A medida que fueron creciendo las necesidades de los usuarios y se perfeccionaron los sistemas, se hizo necesaria una mayor organización del software, del sistema operativo, donde una parte del sistema contenía subpartes y esto organizado en forma de niveles.

Se dividió el sistema operativo en pequeñas partes, de tal forma que cada una de ellas estuviera perfectamente definida y con un claro interface con el resto de elementos.

Se constituyó una estructura jerárquica o de niveles en los sistemas operativos, el primero de los cuales fue denominado THE (Technische Hogeschool, Eindhoven), de Dijkstra, que se utilizó con fines didácticos. Se puede pensar también en estos sistemas como si fueran `multicapa'. Multics y Unix caen en esa categoría.

En la estructura anterior se basan prácticamente la mayoría de los sistemas operativos actuales. Otra forma de ver este tipo de sistema es la denominada de anillos concéntricos o "rings".

En el sistema de anillos, cada uno tiene una apertura, conocida como puerta o trampa (trap), por donde pueden entrar las llamadas de las capas inferiores. De esta forma, las zonas más internas del sistema operativo o núcleo del sistema estarán más protegidas de accesos indeseados desde las capas más externas. Las capas más internas serán, por tanto, más privilegiadas que las externas.

Máquina Virtual Se trata de un tipo de sistemas operativos que presentan una interface a cada proceso, mostrando una máquina que parece idéntica a la máquina real subyacente. Estos sistemas operativos separan dos conceptos que suelen estar unidos en el resto de sistemas: la multiprogramación y la máquina extendida. El objetivo de los sistemas operativos de máquina virtual es el de integrar distintos sistemas operativos dando la sensación de ser varias máquinas diferentes.

El núcleo de estos sistemas operativos se denomina monitor virtual y tiene como misión llevar a cabo la multiprogramación, presentando a los niveles superiores tantas máquinas virtuales como se soliciten. Estas máquinas virtuales no son máquinas extendidas, sino una réplica de la máquina real, de manera que en cada una de ellas se pueda ejecutar un sistema operativo diferente, que será el que ofrezca la máquina extendida al usuario.

Cliente-Servidor(Microkernel)

El tipo más reciente de sistemas operativos es el denominado Cliente-servidor, que puede ser ejecutado en la mayoría de las computadoras, ya sean grandes o pequeñas.

 Sistemas en estratos:

Estos sistemas operativos se organizan como una jerarquía de estratos, cada uno construido arriba del que está debajo de él. El primer sistema construido en esta forma fuel el sistema THE que se fabricó en Technische Hogeschool Eindhoven de Holanda por E. W Dijkstra (1968) y sus alumnos. El sistema THE era un sistema de lote para una computadora alemana, la Electrológica X8, que tenía 32K de palabras de 27 bits (los bits eran costosos en aquellos días)

El estrato 4 era donde se encontraban los programas de los usuarios. No tenían que preocuparse por el manejo de los procesos, memoria, consola o E/S. El proceso operador del sistema se localizaba en el estrato 5.

En esta unidad examinaremos cuatro estructuras distintas que ya han sido probadas, con el fin de tener una idea más extensa de cómo está estructurado el sistema operativo. Veremos brevemente algunas estructuras de diseños de sistemas operativos.  

Estructura por anillos concéntricos (capas).

La ventaja del mecanismo de anillos es su facilidad de extensión para estructurar subsistemas del usuario.

Si un cliente se comunica con un servidor mediante mensajes, el cliente no necesita saber si el mensaje se maneja en forma local, en su máquina, o si se envía por medio de una red a un servidor en una máquina remota. En lo que respecta al cliente, lo mismo ocurre en ambos casos: se envió una solicitud y se recibió una respuesta.

Sistemas Operativos por su Estructura (Visión Interna).

· Construcción del programa final a base de módulos compilados separadamente que se unen a través del ligador.

· Buena definición de parámetros de enlace entre las distintas rutinas existentes, que puede provocar mucho acoplamiento.

· Carecen de protecciones y privilegios al entrar a rutinas que manejan diferentes aspectos de los recursos de la computadora, como memoria, disco, etc.